Table Of ContentMicro, Nanosystems and Systems on Chips
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To Anaïs and Raphaël
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Micro, Nanosystems
and Systems on Chips
Modeling, Control and Estimation
Edited by
Alina Voda
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First published 2010 in Great Britain and the United States by ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.
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© ISTE Ltd 2010
The rights of Alina Voda to be identified as the author of this work have been asserted by her in accordance
with the Copyright, Designs and Patents Act 1988.
Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
Micro, nanosystems, and systems on chips : modeling, control, and estimation / edited by Alina Voda.
p. cm.
Includes bibliographical references and index.
ISBN 978-1-84821-190-2
1. Microelectromechanical systems. 2. Systems on a chip. I. Voda, Alina.
TK7875.M532487 2010
621.381--dc22
2009041386
British Library Cataloguing-in-Publication Data
A CIP record for this book is available from the British Library
ISBN 978-1-84821-190-2
Printed and bound in Great Britain by CPI Antony Rowe, Chippenham and Eastbourne
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Contents
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
PARTI.MINIANDMICROSYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Chapter1.ModelingandControlofStick-slipMicropositioningDevices . 3
MickyRAKOTONDRABE,YassineHADDAB,PhilippeLUTZ
1.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.Generaldescriptionofstick-slipmicropositioningdevices. . . . . . . . 4
1.2.1.Principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2.Experimentaldevice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.Modelofthesub-stepmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1.Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2.Microactuatorequation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3.Theelastoplasticfrictionmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.4.Thestateequation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.5.Theoutputequation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.6.Experimentalandsimulationcurves . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.PIcontrolofthesub-stepmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.Modelingthecoarsemode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5.1.Themodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.2.Experimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.3.Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6.Voltage/frequency(U/f)proportionalcontrolofthecoarsemode . . . 18
1.6.1.Principleschemeoftheproposedcontroller . . . . . . . . . . . . . 20
1.6.2.Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.6.3.Stabilityanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6.4.Experiments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.8.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
v
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vi MicroandNanosystems
Chapter 2. Microbeam Dynamic Shaping by Closed-loop Electrostatic
ActuationusingModalControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
ChadyKHARRAT,EricCOLINET,AlinaVODA
2.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.Systemdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.Modalanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.Mode-basedcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.1.PIDcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.2.FSF-LTRcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
PARTII.NANOSYSTEMSANDNANOWORLD . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Chapter 3. Observer-based Estimation of Weak Forces in a Nanosystem
MeasurementDevice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
GildasBESANÇON,AlinaVODA,GuillaumeJOURDAN
3.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.ObserverapproachinanAFMmeasurementset-up . . . . . . . . . . . 61
3.2.1.ConsideredAFMmodelandforcemeasurementproblem . . . . . 61
3.2.2.Proposedobserverapproach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.3.Experimentalapplicationandvalidation . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.Extensiontobackactionevasion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.1.Backactionproblemandillustration . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.2.Observer-basedapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.3.Simulationresultsandcomments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5.Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Chapter 4. Tunnel Current for a Robust, High-bandwidth and Ultra-
preciseNanopositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
SylvainBLANVILLAIN,AlinaVODA,GildasBESANÇON
4.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.Systemdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.1.Forcesbetweenthetipandthebeam . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.Systemmodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.1.Cantilevermodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.2.Systemactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.3.Tunnelcurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.4.Systemmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.5.Systemanalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
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Contents vii
4.4.Problemstatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4.1.Robustnessandnon-linearities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4.2.Experimentalnoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5.Toolstodealwithnoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.5.1.Kalmanfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.5.2.Minimumvariancecontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.6.Closed-looprequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.6.1.Sensitivityfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.6.2.Robustnessmargins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.6.3.Templatesofthesensibilityfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.7.Controlstrategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.7.1.Actuatorlinearization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.7.2.Sensorapproximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.7.3.Kalmanfiltering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.7.4.RST synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
1
4.7.5.zreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.7.6.RST synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2
4.8.Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.8.1.Positioncontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.8.2.Distancedcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.8.3.Robustness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.9.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.10.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Chapter5.ControllerDesignandAnalysisforHigh-performanceSTM . . 121
IrfanAHMAD,AlinaVODA,GildasBESANÇON
5.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.GeneraldescriptionofSTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.1.STMoperationmodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.2.Principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3.Controldesignmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.1.Linearapproximationapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.2.Open-loopanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.3.3.ControlproblemformulationanddesiredperformanceforSTM . 131
5.4.H∞controllerdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4.1.Generalcontrolproblemformulation . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4.2.GeneralH∞algorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.4.3.Mixed-sensitivityH∞control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.4.Controllersynthesisforthescanningtunnelingmicroscope . . . . 135
5.4.5.Controlloopperformanceanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5.Analysiswithsystemparametricuncertainties . . . . . . . . . . . . . . 139
5.5.1.Uncertaintymodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.5.2.Robuststabilityandperformanceanalysis . . . . . . . . . . . . . . 141
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viii MicroandNanosystems
5.6.Simulationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.7.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.8.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Chapter 6. Modeling, Identification and Control of a Micro-cantilever
Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Scott COGAN, Hui HUI, Michel LENCZNER, Emmanuel PILLET, Nicolas
RATTIER,YoussefYAKOUBI
6.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2.Modelingandidentificationofacantileverarray . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.1.Geometryoftheproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.2.Two-scaleapproximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.3.Modeldescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2.4.Structureofeigenmodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.2.5.Modelvalidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2.6.Modelidentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.3. Semi-decentralized approximation of optimal control applied to a
cantileverarray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.3.1.Generalnotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.3.2.Reformulationofthetwo-scalemodelofcantileverarrays . . . . 164
6.3.3.Modelreformulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.3.4.ClassicalformulationoftheLQRproblem . . . . . . . . . . . . . 167
6.3.5.Semi-decentralizedapproximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.3.6.Numericalvalidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.4.Simulationoflarge-scaleperiodiccircuitsbyahomogenizationmethod 175
6.4.1.Linearstaticperiodiccircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.4.2.Circuitequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.4.3.Directtwo-scaletransformTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.4.4.Inversetwo-scaletransformT−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
E
6.4.5.Two-scaletransformTN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.4.6.Behaviorof‘spread’analogcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.4.7.Cellequations(microproblem) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.4.8.Reformulationofthemicroproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.4.9.Homogenizedcircuitequations(macroproblem) . . . . . . . . . . 188
6.4.10.Computationofactualvoltagesandcurrents . . . . . . . . . . . . 189
6.5.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.6.Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Chapter7.FractionalOrderModelingandIdentificationfor
ElectrochemicalNano-biochip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
AbdelbakiDJOUAMBI,AlinaVODA,PierreGRANGEAT,PascalMAILLEY
7.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.2.Mathematicalbackground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
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Contents ix
7.2.1.Briefreviewoffractionaldifferentiation . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.2.2.Fractionalordersystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
7.3.Predictionerroralgorithmforfractionalordersystemidentification . . 202
7.4.Fractionalordermodelingofelectrochemicalprocesses . . . . . . . . . 206
7.5.Identificationofarealelectrochemicalbiochip . . . . . . . . . . . . . . 209
7.5.1.Experimentalset-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.5.2.Fractionalordermodelidentificationoftheconsideredbiochip . . 213
7.6.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
PARTIII.FROMNANOWORLDTOMACROANDHUMANINTERFACES . 221
Chapter8.Human-in-the-loopTelemicromanipulationSystemAssistedby
MultisensoryFeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
MehdiAMMI,AntoineFERREIRA
8.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.2.Haptic-basedmultimodaltelemicromanipulationsystem. . . . . . . . . 225
8.2.1.Globalapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.2.2.Telemicromanipulationplatformandmanipulationprotocol. . . . 226
8.3.3Dvisualperceptionusingvirtualreality . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.3.1.Limitationsofmicroscopyvisualperception . . . . . . . . . . . . 228
8.3.2.Coarselocalizationofmicrospheres . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.3.3.Finelocalizationusingimagecorrelationtechniques . . . . . . . . 229
8.3.4.Subpixellocalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.3.5.Localizationofdustandimpurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.3.6.Calibrationofthemicroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.3.7.3Dreconstructionofthemicroworld . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.4.Hapticrenderingforintuitiveandefficientinteractionwiththemicro-
environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.4.1.Haptic-basedbilateralteleoperationcontrol . . . . . . . . . . . . . 237
8.4.2.Activeoperatorguidanceusingpotentialfields . . . . . . . . . . . 239
8.4.3.Model-basedlocalmotionplanning . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.4.4.Forcefeedbackstabilizationbyvirtualcoupling . . . . . . . . . . 243
8.5. Evaluating manipulation tasks through multimodal feedback and
assistancemetaphors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.5.1.Approachphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.6.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Chapter9.Six-dofTeleoperationPlatform:ApplicationtoFlexible
MolecularDocking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
BrunoDAUNAY,StéphaneRÉGNIER
9.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
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x MicroandNanosystems
9.2.Proposedapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
9.2.1.Molecularmodelingandsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
9.2.2.Flexibleligandandflexibleprotein . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
9.2.3.Forcefeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.2.4.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.3.Force-positioncontrolscheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.3.1.Idealcontrolschemewithoutdelays . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.3.2.Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.3.3.Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.3.4.Descriptionofadockingtask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.3.5.Influenceoftheeffortscalingfactor . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
9.3.6.Influenceofthedisplacementscaling . . . . . . . . . . . . . . . . 274
9.3.7.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
9.4.Controlschemeforhighdynamicalanddelayedsystems . . . . . . . . 277
9.4.1.Wavetransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
9.4.2.Virtualdamperusingwavevariables . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
9.4.3.Wavevariableswithoutdamping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.4.4.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
9.5.Fromenergydescriptionofaforcefieldtoforcefeeling . . . . . . . . . 287
9.5.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
9.5.2.Energymodelingoftheinteraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
9.5.3.Theinteractionwrenchcalculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9.5.4.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
9.6.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
9.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
ListofAuthors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
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